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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL LODOS GERADOS NAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NO DISTRITO FEDERAL: UM ESTUDO DE SUA APTIDÃO PARA O CONDICIONAMENTO, UTILIZAÇÃO E DISPOSIÇÃO FINAL LUCILENE FERREIRA BATISTA ORIENTADOR: MARCO ANTONIO ALMEIDA DE SOUZA DISSERTAÇÃO DE MESTRADO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS PUBLICAÇÃO: PTARH.DM – 168/2015 BRASÍLIA/DF: MARÇO – 2015 ii UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA FACULDADE DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL LODOS GERADOS NAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NO DISTRITO FEDERAL: UM ESTUDO DE SUA APTIDÃO PARA O CONDICIONAMENTO, UTILIZAÇÃO E DISPOSIÇÃO FINAL LUCILENE FERREIRA BATISTA DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA CIVIL E AMBIENTAL DA FACULDADE DE TECNOLOGIA DA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA COMO PARTE DOS REQUISISTOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM TECNOLOGIA AMBIENTAL E RECURSOS HÍDRICOS. APROVADA POR: _______________________________ Prof. Marco Antonio Almeida de Souza, PhD (ENC-UnB) (Orientador) ___________________________________________ Profª Yovanka Pérez Ginoris, Dr. (ENC-UnB) (Examinador Interno) __________________________________________ Prof. Valderi Duarte Leite, Dr. (UEPB) (Examinador Externo) BRASÍLIA-DF, 23 DE MARÇO DE 2015. iii FICHA CATALOGRÁFICA REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA BATISTA, L.F. (2015). Lodos gerados nas estações de tratamento de esgotos no Distrito Federal: um estudo de sua aptidão para o condicionamento, utilização e disposição final. Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos, Publicação PTARH.DM-168/2015, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 197p. CESSÃO DE DIREITOS NOME DA AUTORA: Lucilene Ferreira Batista TÍTULO: Lodos gerados nas estações de tratamento de esgotos no Distrito Federal: um estudo de sua aptidão para o condicionamento, utilização e disposição final. GRAU: Mestre ANO: 2015 É concedida à Universidade de Brasília permissão para reproduzir cópias desta dissertação de mestrado e para emprestar ou vender tais cópias somente para propósitos acadêmicos e científicos. O autor reserva outros direitos de publicação e nenhuma parte dessa dissertação de mestrado pode ser reproduzida sem autorização por escrito do autor. Lucilene Ferreira Batista Brasília-DF, Brasil BATISTA, L.F. LODOS GERADOS NAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NO DISTRITO FEDERAL: UM ESTUDO DE SUA APTIDÃO PARA O CONDICIONAMENTO, UTILIZAÇÃO E DISPOSIÇÃO FINAL. xxvii, 197p., 210 x 297 mm (ENC/FT/UnB, Mestre, Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos, 2015). Dissertação de Mestrado – Universidade de Brasília. Faculdade de Tecnologia. Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. 1. LODO DE ESGOTOS 2. TRATAMENTO DE LODOS 3. DISPOSIÇÃO FINAL I. ENC/FT/UnB II. Título (série) iv Dedicatória Sidney, como diz em Cantares: eu sou do meu amado. E o meu amado é meu. João Vítor, Ana Laura, Ana Luísa e Luís Felipe, Filhos, vocês são as alegrias do meu viver. Mamãe, Uma mulher forte, batalhadora, sábia, sempre será um exemplo a ser seguido! A vocês dedico. v Agradecimentos Ao finalizar este trabalho tenho muitos motivos para agradecer, agradecer aos que me apoiaram, aos que me ajudaram, aos que me toleraram, aos que me incentivaram, aos que me desafiaram; não foi fácil, não foi rápido, não foi perfeito, em muitos momentos não foi bom, mas... Ah! Como foi enriquecedor. Então, invisto essas linhas em meus agradecimentos especiais... Ao meu marido Sidney, que sempre será meu parceiro de empreitadas, como um dia prometemos: nos bons e maus momentos. Em nossa caminhada, mais que aprender a dividir, temos aprendido a somar e tem sido perfeito! A alegria dessa conquista também é sua, te amo! Aos meus filhos minha gratidão, pelos sorrisos que iluminam minha vida, pelos abraços despretensiosos que aquecem meu coração. Com vocês tudo fica mais lindo, tem mais cor, tem mais brilho, a vida vale a pena ser vivida! À minha mãe, minha maior incentivadora, minha âncora, meu porto seguro, sem você não teria conseguido, você é a vovó mais presente e muitas vezes foi uma mãe para meus filhos, por saber que você estava cuidando pude continuar, sabendo que eles estavam em boas mãos. Esse sonho também foi seu e sua realização é meu presente. Te amo mamãe! Ao meu orientador Marco Antonio, acredito que farei parte de seu recorde, agradeço pela paciência e orientação, por ter me aceitado e acreditado que conseguiria, agradeço pela compreensão. De uma coisa tenho certeza, fui uma provação que você venceu, mas pense pelo lado bom... dizem que as provações nos fazem mais fortes. À minha família, a vocês que sempre acreditaram em mim, divido com vocês as alegrias dessa vitória. vi Aos professores e equipe do Programa de Pós-graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos - Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília, pelos ensinamentos e apoio. À Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal – CAESB, pela disponibilização dos dados e por proporcionar minha participação no curso de mestrado. Aos amigos que me ajudaram, seja direta ou indiretamente, na realização desse trabalho: a Ana Maria Machado, você tem sido uma companheira de caminhada e de ideais; Ana Maria do Carmo Mota como já lhe disse, quando crescer quero ser igual a você; Daidi, você foi um instrumento nas mãos de Deus para que eu pudesse iniciar minha carreira; Carlos Eduardo, por permitir que eu me engajasse nesse projeto; Leonor pela disposição em ajudar e pelos conselhos; Marise, pela ajuda inestimável e a tantos outros que estiveram comigo ao longo do caminho, meus sinceros agradecimentos. Comecei meus agradecimentos com os amores da minha vida e quero encerrar com Aquele que é a razão do meu viver, ao meu Deus, o Senhor da minha existência, minha eterna gratidão. Não há conquista que tenha alcançado somente por meus próprios méritos, o Senhor tem sido meu refúgio, a alegria do Senhor tem sido minha força... “uns confiam em carros, outros em cavalos, eu, porém, confio no Senhor dos Exércitos”... que me tem sustentado até aqui. A meu Senhor e Rei minha adoração, meu louvor e minha gratidão. “Ó profundidade da riqueza, da sabedoria e do conhecimento de Deus! Quão insondáveis são os seus juízos, e quão inescrutáveis os seus caminhos! Pois, quem conheceu a mente do Senhor? Quem se tornou seu conselheiro? Quem primeiro lhe deu alguma coisa, para que Ele lhe recompense? Portanto Dele, por Ele e para Ele são todas as coisas. A Ele seja a glória eternamente! Amém.” (Romanos 11:33 -36) vii RESUMO LODOS GERADOS NAS ESTAÇÕES DE TRATAMENTO DE ESGOTOS NO DISTRITO FEDERAL: UM ESTUDO DE SUA APTIDÃO PARA O CONDICIONAMENTO, UTILIZAÇÃO E DISPOSIÇÃO FINAL. O Distrito Federal (DF) se destaca no Brasil pelos elevados índices de atendimento por sistemas de esgotamento sanitário. São 16 Estações de Tratamento de Esgotos (ETE) em operação, que empregam tecnologias de tratamento diversificadas e geram diariamente cerca de 300 toneladas de lodo. A gestão adequada do lodo de esgotos constitui-se em um desafio para os projetistas e operadores dos sistemas, pois a disposição final desse resíduo tornou-se um dos problemas ambientais urbanos mais relevantes da atualidade, não apenas pelos grandes volumes gerados, mas também por ser um resíduo de composição variável. Nesse contexto, a presente pesquisa objetivou a caracterização dos processos de geração e tratamento e da qualidadedo lodo de esgotos gerado em todas as ETEs do DF, com vistas a identificar as alternativas de disposição final que sejam técnica e ambientalmente viáveis. A ETE Brasília Norte foi selecionada para um estudo de caso detalhado das etapas intermediárias de tratamento de lodo, e a análise dos dados disponibilizados pela CAESB permitiu uma avaliação das variáveis que influenciam o desempenho operacional das unidades de geração e tratamento do lodo, do seu comportamento e das eficiências alcançadas. Isso pode nortear o planejamento de ações para otimização de processos e melhorias operacionais, visando principalmente ao atendimento dos requisitos de qualidade dos lodos para as alternativas de disposição final selecionadas. Os coeficientes de produção de lodo foram verificados e comparados com a literatura clássica, tendo-se deparado com a dificuldade em se estabelecer um padrão de geração de lodo para a fase de tratamento primário, demonstrando a necessidade de se definirem rotinas operacionais que permitam estabelecer os parâmetros para elaboração de cenários de produção de lodo. Foram levantados os requisitos necessários às alternativas de tratamento e de disposição final do lodo, e com a caracterização dos lodos das ETEs do DF, foi construído um cenário em que foram priorizadas as alternativas que propiciam o aproveitamento do lodo. Concluiu-se que, para as características atuais, as alternativas possíveis para uso e disposição dos lodos das ETEs do DF são: recuperação de áreas degradadas, produção de substrato vegetal e codisposição em aterro sanitário. Concluiu-se ainda que um tratamento complementar para higienização do lodo permitiria sua adequação para o uso agrícola. Palavras-chaves: lodos de esgotos, tratamento de lodos e disposição final, esgotos domésticos. viii ABSTRACT SLUDGE GENERATED IN SEWAGE TREATMENT PLANTS IN FEDERAL DISTRICT: A STUDY ON ITS ABILITY FOR CONDITIONING, USE AND FINAL DISPOSAL. The Federal District (DF) stands out in Brazil by the high attendance indices for sewer systems. There are 16 Sewage Treatment Plants (STP) in operation, employing diverse treatment technologies and daily generate about 300 tons of sludge. Proper management of sewage sludge constitutes a challenge for the designers and operators of systems as the final disposal of this waste has become one of the major urban environmental problems of today, not only by the large volumes generated, but also by being a variable composition. In this context, the present study aimed to characterize the processes of generation and treatment and the quality of sewage sludge generated in all the DF STPs, in order to identify the final disposal alternatives that are technically and environmentally viable. STP Brasilia North was selected for a detailed case study of the intermediate steps of sludge treatment, and the analysis of data provided by CAESB allowed an assessment of the variables that influence the operating performance of generating units and sludge treatment, their behavior and the efficiencies achieved. This can guide the planning of actions for process optimization and operational improvements, aiming mainly to meeting the quality requirements of the sludge according to the selected alternatives of disposal. The sludge production rates were checked and compared with the classical literature. It was faced with the difficulty in establishing a pattern of sludge generation to the primary treatment phase, demonstrating the need to define operational routines needed to establish the parameters for the development of future scenarios of sludge production. The requirements to the sludge and final disposal alternative treatment technologies were raised and with the characterization of sludge from the DF STPs, it was composed a scenario in which priority was given to alternatives that provide the sludge utilization. It was concluded that, for the current characteristics, possible alternatives for use and disposal of sludge from the DF STPs are: reclamation, plant substrate production and co-disposal in landfill. It was also concluded that complementary treatment for sludge disinfection would allow their suitability for agricultural use. Keywords: sewage sludge, sludge treatment; sludge disposal. ix SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................... 1 2. OBJETIVOS ................................................................................................................ 4 2.1 OBJETIVO GERAL ............................................................................................... 4 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................. 4 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ................................................................................... 5 3.1 LODOS DE ESGOTOS ........................................................................................... 5 3.1.1 Características e produção de lodos nos processos de tratamento de esgotos ........................................................................................................................... 5 3.1.1.1 Características dos esgotos afluentes ......................................................... 6 3.1.1.2 Tipos de tratamento e produção típica de lodo .......................................... 7 3.1.1.3 Eficiência operacional em tratamentos biológicos .................................... 9 3.1.2 Aspectos relevantes na caracterização do lodo de esgotos ......................... 10 3.1.2.1 Tipos de lodos .......................................................................................... 10 3.1.2.2 Características gerais dos lodos de ETEs ................................................ 11 3.1.2.3 Riscos microbiológicos ........................................................................... 13 3.1.2.4 Metais pesados ......................................................................................... 18 3.1.2.5 Outros compostos potencialmente tóxicos no lodo ................................. 20 3.2 MANEJO DE LODOS DE ETES – TÉCNICAS DE PROCESSAMENTO E CONTROLE 25 3.2.1 Processos de tratamento de lodos ......................................................... 25 3.2.1.1 Estabilização de lodos ........................................................................ 26 3.2.1.2 Remoção da umidade .......................................................................... 28 3.2.1.3 Higienização de lodo de esgoto ....................................................... 31 3.2.2 Controle ........................................................................................................ 37 3.2.3 Disposição adequada dos resíduos ....................................................... 38 3.2.3.1 Aterro Sanitário ................................................................................... 39 3.2.3.2 Landfarming .......................................................................................... 40 3.2.3.3 Incineração ............................................................................................ 40 3.2.3.4 Usos benéficos do lodo ...................................................................... 42 3.3 CONSIDERAÇÕES GERAIS SOBRE A SELEÇÃO DO TRATAMENTO ADEQUADO DE LODO .......................................................... 52 4 MATERIAIS E MÉTODOS ................................................................................ 54 4.1 DIAGNÓSTICO DO MANEJO DE LODOS DAS ETES DO DISTRITO FEDERAL .................................................................................................................... 55 4.1.1 Caracterização qualitativa do lodo desaguado para fins de disposição final .......................................................................................................56 4.1.2 Caracterização quantitativa dos lodos gerados nas ETEs do Distrito Federal ...................................................................................................... 58 4.2 ESTUDO DE CASO .............................................................................................. 58 4.2.1 Descrição da Estação de Tratamento Brasília Norte – ETEB Norte ........ 59 4.2.2 Avaliação do desempenho das unidades de tratamento da fase sólida e do comportamento do lodo ao longo das etapas de geração. ...................................... 61 4.3 ANÁLISE DO PADRÃO DE PRODUÇÃO DE LODOS DE ESGOTOS NAS ETES DO DF .................................................................................................................. 64 4.4 IDENTIFICAÇÃO DOS USOS POTENCIAIS DOS LODOS DE ESGOTOS, APLICÁVEIS AO DISTRITO FEDERAL ................................................................. 66 x 4.5 COMPARAÇÃO E ANÁLISE DOS DADOS E RESULTADOS ...................... 67 5. APRESENTAÇÃO E ANÁLISE DE RESULTADOS ........................................... 69 5.1 GESTÃO DE LODOS NAS ETES DO DISTRITO FEDERAL ......................... 69 5.1.1 Sistema de Tratamento de Esgotos no Distrito Federal ............................. 69 5.1.2 Tecnologias de tratamento de esgotos em operação no Distrito Federal.. 70 5.1.3 Características dos esgotos afluentes às estações de tratamentos de esgotos do Distrito Federal ..................................................................................................... 80 5.1.4 Geração de lodo de esgotos nas ETEs do Distrito Federal ........................ 85 5.1.5 Produção de lodos de esgotos nas ETEs do DF ........................................... 92 5.1.6 Características sanitárias dos lodos gerados nas ETEs do Distrito Federal ......................................................................................................................... 97 5.1.7 Características físico-químicas dos lodos gerados nas ETEs do Distrito Federal ...................................................................................................................... 106 5.1.8 .... Cenário atual do manejo de lodo desaguado das ETEs do Distrito Federal ........................................................................................................................... 115 5.2 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DAS UNIDADES DE TRATAMENTO DA FASE SÓLIDA E DO COMPORTAMENTO DO LODO AO LONGO DAS ETAPAS DE GERAÇÃO - ESTUDO DE CASO ETE BRASÍLIA NORTE .......... 118 5.2.1 Detalhamento do fluxo de tratamento da fase sólida da ETEB Norte .... 119 5.2.2.1 Decantador Primário .................................................................................. 120 5.2.2.2 Adensador por gravidade ........................................................................... 121 5.2.2.3 Adensador por flotação .............................................................................. 121 5.2.2.4 Câmara de flotação do polimento final...................................................... 122 5.2.2.5 Digestor primário anaeróbio ...................................................................... 123 5.2.2.6 Condicionamento e desaguamento de lodo ............................................... 124 5.2.3 Avaliação do desempenho das unidades de tratamento da fase sólida e do comportamento do lodo ao longo do sistema. ....................................................... 126 5.2.3.1 Decantador primário .................................................................................. 126 5.2.3.2 Adensador por gravidade ........................................................................... 131 5.2.3.3 Adensador por flotação .............................................................................. 137 5.2.3.4 Câmaras de flotação do polimento final .................................................... 140 5.2.3.5 Digestor anaeróbio primário ...................................................................... 141 5.2.3.6 Desaguamento do lodo digerido ................................................................ 151 5.3 ANÁLISE DO PADRÃO DE PRODUÇÃO DE LODOS DE ESGOTOS NAS ETES DO DF ................................................................................................................ 157 5.3.1 Produção teórica de lodo nas ETEs do Distrito Federal .......................... 158 5.3.2 Produção real de lodo na ETE Brasília Norte .......................................... 160 5.4 USOS POTENCIAIS E DISPOSIÇÃO FINAL DOS LODOS DE ESGOTOS APLICÁVEIS AO DISTRITO FEDERAL ............................................................... 166 5.4.1 Caracterização do Distrito Federal – área, vegetação, solo e clima ........ 166 5.4.2 Identificação dos usos aplicáveis ao Distrito Federal e análise comparativa para atendimento aos requisitos de qualidade ...................................................... 168 5.4.2.1 Uso e aplicação no solo ............................................................................. 170 5.4.2.2 Produção de substrato vegetal ................................................................... 174 5.4.2.3 Uso como matéria-prima na fabricação de cerâmica vermelha ................. 176 5.4.2.4 Disposição em Aterro Sanitário ................................................................. 177 6. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ............................................................. 178 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 184 xi LISTA DE TABELAS Tabela3.1 - Produção teórica e características do lodo em função do tipo de Tratamento de Esgoto Utilizado na ETE ....................................................................................................... 8 Tabela 3.2 – Classificação de lodos de ETEs. ..................................................................... 11 Tabela 3.3 – Composição química e propriedades típicas do lodo bruto e digerido. .......... 12 Tabela 3.4 – Concentração de patógenos em lodo produzido em diversas ETEs do Brasil.14 Tabela 3.5 - Grupo/Classe de alguns compostos micropoluentes emergentes de alguns tipos de lodo. .............................................................................................................................. 23 Tabela 3.6 – Faixas usuais de densidades e de massas específicas de alguns tipos de lodo.38 Tabela 3.7 – Principais parâmetros de valor agronômico dos lodos produzidos em ETEs do Brasil .................................................................................................................................... 45 Tabela 3.8 - Concentrações máximas permissíveis de metais em lodos de esgoto para aplicação no solo ................................................................................................................. 45 Tabela 3.9 - Valores máximos para agentes patogênicos no lodo de esgoto Classe A e B . 46 Tabela 4.1 - Parâmetros de caracterização do Lodo ............................................................ 57 Tabela 4.2 – Metodologias analíticas para determinação dos parâmetros de interesse ...... 57 Tabela 4.3 – Parâmetros avaliados para o diagnóstico do comportamento do lodo ............ 62 Tabela 4.4 – Tabela de variáveis operacionais e formulários aplicados ao estudo de caso da ETEB Norte. ........................................................................................................................ 63 Tabela 5.1 – Tecnologias de tratamento de esgotos aplicados nas ETEs do DF, População, Vazão e Carga Orgânica (real e de projeto) ........................................................................ 71 Tabela 5.2 – Produção absoluta de areia das ETEs do Distrito Federal – ano 2013. .......... 74 Tabela 5.3 – Concentrações usuais para esgotos domésticos afluentes, reportados na literatura ...............................................................................................................................80 Tabela 5.4 – Estatística descritiva referente às concentrações de esgotos afluentes às ETEs do Distrito Federal, agrupados por tecnologias de tratamento similares. ............................ 81 Tabela 5.5 – Tipos de lodos gerados nas ETEs do Distrito Federal. ................................... 86 Tabela 5.6 – Tipos de tratamento de lodo empregados nas ETEs do Distrito Federal. ....... 86 Tabela 5.7 – Parâmetros e Indicadores de geração de lodo – ano base 2013 ...................... 93 Tabela 5.8 – Produção de lodo nas ETEs do Distrito Federal – Período 2004 a 2013. ....... 96 Tabela 5.9 – Estatística descritiva referente às concentrações de coliformes termotolerantes nos lodos desaguados das ETEs do DF. .............................................................................. 98 Tabela 5.10 – Estatística descritiva referente às concentrações de ovos de helmintos e ovos viáveis de helmintos nos lodos desaguados das ETEs do DF. .......................................... 101 Tabela 5.11 - Concentração de bactérias no lodo primário e secundário, observadas nos Estados Unidos, em número/g de massa seca.................................................................... 102 Tabela 5.12 – Indicador de Desenvolvimento Humano – IDH do Distrito Federal, distribuído por Região Administrativa, ano 2003. ............................................................ 105 Tabela 5.13 - Composição dos lodos de esgotos gerados nas ETEs do DF quanto aos parâmetros agronômicos, expressos em base seca ............................................................ 107 xii Tabela 5.14 - Composição dos lodos de esgotos gerados nas ETEs do DF quanto às substâncias inorgânicas, expressos em base seca. ............................................................. 108 Tabela 5.15 – Composição de lodo de esgotos em diversas ETEs no Brasil e no Distrito Federal. .............................................................................................................................. 109 Tabela 5.16 – Descrição das unidades de tratamento da fase sólida da ETEB Norte. ...... 120 Tabela 5.17 – Estatística descritivas dos teores de ST(%) no lodo primário na ETEB Norte ........................................................................................................................................... 127 Tabela 5.18 – Parâmetros de projeto do decatador primário da ETEB Norte ................... 128 Tabela 5.19– Dados operacionais do decantador primário da ETEB Norte. .................... 128 Tabela 5.20 – Volumes médios de lodo descartado do decantador primário e Concentrações médias de ST para cada ciclo. ................................................................... 129 Tabela 5.21 – Estatística descritiva dos teores de ST(%) no lodo adensado (adensador por gravidade) na ETEB Norte. ............................................................................................... 131 Tabela 5.22 – Taxa de aplicação de ST (TAS - kgST/m².d) afluentes ao adensador por gravidade da ETEB Norte, entre os anos de 2008 e 2014. ................................................ 135 Tabela 5.23 – Estatística descritiva dos parâmetros de controle do lodo químico da ETEB Norte .................................................................................................................................. 140 Tabela 5.24 – Carga de sólidos aplicada aos digestores anaeróbios por tipo de lodo, em KgSS/d. .............................................................................................................................. 142 Tabela 5.25 – Parâmetros operacionais de controle do processo de digestão anaeróbia da ETEB Norte ....................................................................................................................... 143 Tabela 5.26 – Variáveis operacionais e parâmetros de controle do processo de desaguamento de lodo. ...................................................................................................... 152 Tabela 5.27 – Parâmetros adotados para cálculo de produção teórica de lodo: remoção, coeficiente de produção e teor de sólidos. ......................................................................... 158 Tabela 5.28 – Parâmetros adotados para cálculo de produção teórica de lodo: remoção e coeficiente de produção. .................................................................................................... 159 Tabela 5.29 – Produção teórica de lodo nas ETEs do Distrito Federal considerando a carga orgânica teórica.................................................................................................................. 159 Tabela 5.30 – Produção teórica de lodo nas ETEs do Distrito Federal considerando a carga orgânica real aplicada em 2013. ........................................................................................ 160 Tabela 5.31 – Volume médio mensal de lodos produzidos diariamente na ETEB Norte, nas diferentes etapas de geração e tratamento. ........................................................................ 161 Tabela 5.32 – Média mensal do Teor de sólidos em suspensão dos diferentes tipos de lodos produzidos diariamente na ETEB Norte, em %, ano 2013 ................................................ 161 Tabela 5.33 – Parâmetros operacionais da ETEB Norte e valores de população equivalente e coeficiente de produção de lodos determinados a partir das equações, dados de 2013 .. 162 Tabela 5.34 – Parâmetros operacionais e valores determinados de população equivalente e coeficiente de produção de lodo para os reatores biológicos de lodos ativados da ETEB Norte, dados de 2013. ........................................................................................................ 164 xiii Tabela 5.35 – Parâmetros operacionais da ETE Paranoá e valores determinados de população equivalente e coeficiente de produção de lodo no reator UASB, dados de 2014 .. ........................................................................................................................................... 165 Tabela 5.36 – Alternativas de usos potenciais e disposição final levantadas na literatura.169 Tabela 5.37 – Composição dos lodos gerados nas ETEs do Distrito Federal, segundo os parâmetros restritivos nas Resoluções do CONAMA e CONAM .................................... 171 Tabela 5.38 – Composição dos lodos gerados nas ETEs do Distrito Federal – Parâmetros agronômicos ...................................................................................................................... 173 xiv LISTA DE FIGURAS Figura 3.1 - Composição do esgoto doméstico..................................................................... 7 Figura 3.2 - Principais ovos de helmintos encontrados em biossólido oriundo de tratamento por digestão anaeróbia ......................................................................................................... 15 Figura 3.3.- Rotas de exposição de fármacos no ambiente. ................................................ 24 Figura 4.1 – Fluxograma das etapas e atividades necessárias ao desenvolvimento da pesquisa. .............................................................................................................................. 54 Figura 4.2 – Vista aérea da estação de tratamento de esgotos Brasília Norte. .................... 59 Figura 4.3 – Fluxograma de tratamento da ETE Brasília Norte. ......................................... 61 Figura 4.4 – Representação esquemática dos passos realizados para a identificação das alternativas de manejo de lodo de esgotos........................................................................... 67 Figura 5.1 – Concentrações dos esgotos afluentes às ETEs do DF, agrupadas por tecnologias de tratamento de esgotos similares – parâmetro DBO (mg/L) – entre anos 2004 -2013. ..........................................................................................................................82 Figura 5.2 – Concentrações dos esgotos afluentes às ETEs do DF, agrupadas por tecnologias de tratamento de esgotos similares – parâmetro DQO (mg/L) – entre anos 2004 -2013. .......................................................................................................................... 82 Figura 5.3 – Concentrações dos esgotos afluentes às ETEs do DF, agrupadas por tecnologias de tratamento de esgotos similares – parâmetro SS (mg/L) – entre anos 2004 - 2013 ..................................................................................................................................... 83 Figura 5.4 – Concentrações dos esgotos afluentes às ETEs do DF, agrupadas por tecnologias de tratamento de esgotos similares – parâmetro TKN (mg/L) – entre anos 2004 -2013 .................................................................................................................................... 83 Figura 5.5 – Concentrações dos esgotos afluentes às ETEs do DF, agrupadas por tecnologias de tratamento de esgotos similares – parâmetro P-total (mg/L) – entre anos 2004- 2013. .......................................................................................................................... 84 Figura 5.6 – Carga orgânica removida das ETEs Brasília Sul, Brasília Norte, Melchior, Gama, Riacho Fundo e Paranoá (KgDBO/dia) – 2013 e 2014 .......................................... 93 Figura 5.7 – Eficiência média de remoção de DBO registradas nas ETEs Brasília Sul, Brasília Norte, Melchior, Gama, Riacho Fundo e Paranoá (%) – 20131 e 2014 ................ 94 Figura 5.8 – Evolução da Produção de Lodo no Distrito Federal (ton/d) entre os anos de 2004 e 2013 ......................................................................................................................... 95 Figura 5.9 – Resultados de Coliformes termotolerantes nos lodos desaguados no Distrito Federal (2007 – 2014) ......................................................................................................... 99 Figura 5.10 – Resultados de coliformes termotolerantes nos lodos desaguados gerados no Distrito Federal (2007 – 2014) – média anual ..................................................................... 99 Figura 5.11 – Resultados de ovos de helmintos viáveis nos lodos desaguados, gerados no Distrito Federal (2007 – 2014) - Nº de ovos viáveis de helmintos/g massa seca .............. 101 Figura 5.12 – Resultados de coliformes termotolerantes nos lodos desaguados gerados no Distrito Federal (2013 – 2014) – média anual. .................................................................. 103 Figura 5.13 – Resultados de parasitologia dos lodos desaguados, gerados no Distrito Federal (2007 – 2014) - Nº de ovos de helmintos/g massa seca versus IDH. ................... 106 xv Figura 5.14 – Concentração de Nitrogênio em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras. ................................................................................................................ 110 Figura 5.15 – Concentração de Fósforo em experimentos com lodo de ETEs do DF, comparadas a algumas ETEs brasileiras. ........................................................................... 110 Figura 5.16 – Concentração de Potássio em experimentos com lodo de ETEs do DF comparadas a algumas ETEs brasileiras. .......................................................................... 111 Figura 5.17 – Concentração de Matéria Orgânica em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras. ....................................................................................................... 111 Figura 5.18 – Concentração de Cálcio em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras ........................................................................................................................... 112 Figura 5.19 – Concentração de Ferro em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras. .......................................................................................................................... 112 Figura 5.20 – Concentração de Magnésio em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras. ................................................................................................................ 113 Figura 5.21 – Concentração de Zinco em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras. .......................................................................................................................... 113 Figura 5.22 – Concentração de Cobre em experimentos com lodo de ETEs do DF x ETEs brasileiras ........................................................................................................................... 114 Figura 5.23- Evolução das Alternativas de disposição de lodo no DF (2012-2014) ........ 116 Figura 5.24 – Fluxograma da ETE Brasília Norte – Tratamento da fase sólida................ 119 Figura 5.25 – Dispersão de ar na câmara de flotação. ....................................................... 123 Figura 5.26 – Raspadores de superfície das câmaras de flotação. ..................................... 123 Figura 5.27 – Série temporal das concentrações de sólidos ST (%) no lodo primário ...... 127 Figura 5.28– Concentração de sólidos ST (%) no decantador primário – valores mínimos, máximos, mediana e os 1º e 3º quartis. ............................................................................. 127 Figura 5.29 – Série temporal dos volumes de lodo descartado diariamente do decantador primário ............................................................................................................................. 129 Figura 5.30 – Distribuição das concentrações do lodo primário, em termos de %ST, ao longo dos 3 ciclos de extração de lodo testados. ............................................................... 130 Figura 5.31 – Série temporal dos teores de sólidos totais no adensador por gravidade. ... 131 Figura 5.32 – Box-plot das concentrações de sólidos ST (%) no adensador por gravidade 132 Figura 5.33 – Série temporal da captura de sólidos no adensador por gravidade ............. 133 Figura 5.34 – Box-plot das capturas de sólidos ST (%) no adensador por gravidade. ...... 133 Figura 5.35 – Série temporal da taxa de aplicação de sólidos (TAS) e captura de sólidos no adensador por gravidade. ................................................................................................... 134 Figura 5.36 – Série temporal de captura de sólidos no adensador no ano de 2014 ........... 136 Figura 5. 37 – Box-plot do tempo de detenção hidráulica no adensador por gravidade ... 136 Figura 5.38 – Box-plot da TAS sólidos no adensador por gravidade ............................... 138 Figura 5.39 – Série temporal da TAS sólidos e captura de sólidos dos adensadores por flotação da ETEB Norte. ................................................................................................... 139 Figura 5.40 –Volume de lodo químico gerado na ETEB Norte (m³/d) anos 2008 – 2014 .... 141 xvi Figura 5.41 – Box-plot da concentração de sólidos (%ST) de lodo químico gerado na ETEB Norte, anos de 2008 – 2014. ................................................................................... 141 Figura 5.42 – Box-plot da concentração de sólidos totais no lodo digerido ..................... 144 Figura 5.43 – Box-plot da concentração de sólidos totais voláteis no lodo digerido ........ 144 Figura 5.44 – Série temporal das concentrações de sólidos totais e sólidos totais voláteis no lodo digerido. ..................................................................................................................... 144 Figura 5.45 – Série temporal do tempo de detenção hidráulica no digestor anaeróbio. .... 145 Figura 5.46 – Série temporal de sólidos voláteis e sólidos totais no lodo digerido. .........146 Figura 5.47 – Box-plot do tempo de detenção hidráulica no digestor primário anaeróbio (DGP), em dias .................................................................................................................. 147 Figura 5.48 – Relação de SV/ST no lodo digerido do DGP da ETEB Norte. ................... 147 Figura 5.49 – Eficiência de remoção de sólidos voláteis na digestão de lodo da ETEB Norte. ................................................................................................................................. 148 Figura 5.50 – Carga orgânica volumétrica (COV) afluente ao digestor primário anaeróbio da ETEB Norte, em KgSS/m³.d ......................................................................................... 149 Figura 5.51 – Box-plot do pH no lodo digerido ................................................................ 150 Figura 5.52 – Box-plot da relação acidez/alcalinidade no lodo digerido. ......................... 150 Figura 5.53 – Série temporal do teor de sólidos (%) no lodo afluente à desidratação mecânica da ETEB Norte. ................................................................................................. 153 Figura 5.54 – Box-plot da carga hidráulica aplicada às prensas desaguadoras da ETEB Norte. ................................................................................................................................. 154 Figura 5.55 – Box-plot do volume de lodo afluente à desidratação mecânica da ETEB Norte. ................................................................................................................................. 154 Figura 5.56 - Box-plot do teor de sólidos no lodo desaguado da ETEB Norte. ................ 155 Figura 5.57 - Box-plot da captura de sólidos no lodo desaguado da ETEB Norte ............ 155 Figura 5.58 – Box-plot do consumo de polímero catiônico no condicionamento do lodo afluente à desidratação da ETEB Norte. ............................................................................ 156 xvii LISTA DE SÍMBOLOS Al - Alumínio ANA - Agência Nacional de Águas Ca - Cálcio CAESB - Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal Cd - Cádmio CETESB - Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental CF - Coliformes Termotolerantes Co - Cobalto CODEPLAN - Companhia de Planejamnto do Distrito Federal CONAMA - Conselho Nacional do Meio Ambiente COV - Carga Orgânica volumétrica Cr - Cromo Cu - Cobre DBO - Demanda bioquímica de oxigênio DF - Distrito Federal DP - Decantador Primário DS - Decantador secundário EMBRAPA - Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária EPA - Agência de Proteção Ambiental (Estados Unidos) ES - Escoamento superficial ETE - Estação de Tratamento de Esgotos Fe - Ferro Hg - Mercúrio IBGE - Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística LA - Lodos ativados LAF - Lagoa aerada facultativa LAMC - Lagoa aerada de mistura completa LAN - Lagoa anaeróbia LAP - Lodos ativados aeração prolongada LF - Lagoa facultativa LM - Lagoa de maturação LP - Lagoa de polimento mg kg-1 - miligrama por quilograma mg L-1 - miligrama por litro Mg - Manganês Mo - Molibdênio Ni - Níquel NOVACAP - Companhia Urbanizadora da Nova Capital do Brasil NT - Nitrogênio total NTK - Nitrogênio total Kjeldahl Pb - Chumbo PDAD - Pesquisa Distrital por Amostra de Domicílios PO4 - Fosfato PRODES - Programa de Despoluição de Bacias Hidrográficas PROSAB - Programa de Pesquisa em Saneamento Básico P-total Fósforo total Se - Selênio Si - Silício SST - Sólidos suspensos totais ST - Sólidos totais SV - Sólidos voláteis TAS - Taxa de aplicação de sólidos TDH - Tempo de detenção hidráulica UASB - Upflow anaerobic sludge blanket Zn - Zinco 1 1. INTRODUÇÃO A sociedade atual e a comunidade científica têm fomentado o avanço de discussões com respeito às garantias para as gerações futuras de um ambiente saudável, compatibilizando o desenvolvimento às limitações dos recursos naturais. Dentre os problemas ambientais, agravados pela crescente concentração urbana, um dos mais relevantes da atualidade é, sem dúvida, o destino adequado para os milhões de toneladas de resíduos gerados, diariamente, em todo o mundo. Neste contexto, a disposição final do lodo, resíduo proveniente do tratamento de esgotos, vem se caracterizando como um desafio para os governantes e profissionais do setor. O aumento do número de estações de tratamento de esgotos e o consequente incremento da produção de lodos de esgotos torna imperiosa a abordagem do problema. Os múltiplos aspectos envolvidos, tais como o volume significativo de material gerado, as limitações na localização de áreas para destinação final de resíduos sólidos, o custo elevado para operacionalizar a disposição adequada e aspectos de ordem ambiental e sanitária, tornam a gestão de resíduos do Sistema de Esgotamento Sanitário (SES), bastante complexa. Mundialmente, as práticas de minimização da produção de resíduos têm sido estimuladas, priorizando a reciclagem como opção de destino final. Por esta razão, o uso do lodo de esgoto na agricultura vem se tornando uma alternativa de grande interesse. Esta possibilidade tem o benefício de transformar um resíduo problemático e de difícil disposição em um insumo agrícola, fornecendo matéria orgânica e nutrientes ao solo. Entretanto, o conhecimento sobre os riscos ambientais e à saúde da população e o aumento das exigências legais sobre as técnicas de manejo do lodo têm sido objeto de diversas discussões e pesquisas para o aprimoramento da gestão do lodo. Alguns avanços tecnológicos alcançados no tratamento de esgotos apresentam reflexos também no tratamento do lodo, tais como: o emprego de técnicas para o condicionamento e desaguamento do lodo; a utilização de processos térmicos para o seu tratamento; o uso de aterros sanitários controlados, como alternativa para a disposição final dos resíduos do 2 tratamento. Esses aperfeiçoamentos, entretanto, conduzem a um acréscimo dos custos operacionais do tratamento. Diversos autores destacam que os problemas decorrentes da geração de lodo de esgotos requerem soluções tão ou mais complexas que o próprio tratamento de esgotos e podem representar um aumento substancial dos custos totais, cerca de 50%, se considerados os gastos até a disposição final do lodo (Rulkens,2004; Fernandes e Souza, 2001; Além Sobrinho, 2001). O Distrito Federal (DF), à luz dessas reflexões, ocupa posição de destaque no panorama nacional, uma vez que, devido aos elevados índices de atendimento à população, pelo sistema de esgotamento sanitário, cerca de 89,7% da população regularmente instalada no Distrito Federal, apresenta a maior produção per capita de lodo do país. A Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal (CAESB) alcançou, em 2005, a marca de 100% de tratamento do esgoto coletado, número expressivo, considerando a realidade nacional. Entretanto, o Distrito Federal está em evidência não apenas pelo volume de lodo gerado, mas também pelo emprego de tecnologias de tratamento diversificadas, que foram combinadas para atender aos elevados níveis de exigência dos corpos receptores da região. O lodo removido nas diferentes etapas do tratamento de esgoto, devido aos grandes volumes e à composição variável, constitui-se um problema particularmente complexo. É importante o conhecimento dos requisitos necessários à aplicação das técnicas de tratamento disponíveis e das características do lodo, com vistas a alcançar a qualidade desejável a sua correta utilização ou destinação, para melhor orientar as decisões quanto ao seu processamento. Quanto ao tema da disposição final do lodo, a aplicação agrícola vem sendo discutida como uma proposta viável para o DF, devido às condições do solo da região, pobre em matéria orgânica, e aopotencial do lodo como condicionador de solo e fertilizante. A adoção dessa prática, entretanto, precisa estar amparada pelo conhecimento dos elementos que podem vir a produzir impactos negativos ao ser humano ou ao meio ambiente. Além disso, do ponto de vista estratégico, a melhor solução deve prever um conjunto de alternativas, evitando-se a dependência de uma única opção. Uma abordagem possível é 3 aquela que priorize o aproveitamento do resíduo, mas como alternativa de contingência, aponte um segundo bloco de opções que possibilite sua disposição adequada. Assim, para permitir o delineamento das alternativas adequadas ao Distrito Federal, é preciso a realização de estudos que aliem a caracterização do lodo, ao conhecimento do seu comportamento, nas diversas etapas de tratamento, e dos requisitos necessários à utilização de cada alternativa de processamento. 4 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GERAL Avaliar as características dos lodos provenientes das estações de tratamento de esgotos sanitários do Distrito Federal, visando ao diagnóstico da sua aptidão para o condicionamento, utilização e disposição final, considerando as alternativas aplicáveis ao Distrito Federal. 2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar o diagnóstico do manejo de lodos no Distrito Federal-DF, por meio da compilação de dados e informações que compreendam as tecnologias de tratamento empregadas nas Estações de Tratamento de Efluentes- ETEs do DF e a produção de lodo, por tipo de processo, sistematizando os dados de quantidade e qualidade, de forma a facilitar a compreensão do problema e a análise das soluções. Caracterizar qualitativa e quantitativamente os diferentes tipos de lodos produzidos, ao longo das etapas de tratamento, classificando-os segundo suas características e processos de geração. Avaliar o comportamento do lodo ao longo das etapas de tratamento, confrontando suas características com os requisitos indicados para cada etapa de processamento, com vistas a identificar as alternativas que minimizem a produção e melhorem a qualidade do lodo gerado. Verificar o potencial de aproveitamento dos lodos de esgotos gerados nas ETEs da Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal (CAESB), considerando as suas características e a demanda da região. 5 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 3.1 LODOS DE ESGOTOS O lançamento dos esgotos “in natura”, nos corpos hídricos, provoca interferência direta no ambiente aquático, afetando suas características físicas, químicas e biológicas. Esse impacto é causado, em parte, pelo incremento na disponibilidade de matéria orgânica, que causa o desequilíbrio das interações estabelecidas no ecossistema aquático. Por esta razão, um dos principais objetivos do tratamento das águas residuárias é remover a matéria orgânica presente. Um dos subprodutos resultantes do processo de tratamento de esgotos é um resíduo que pode apresentar-se na forma sólida, semi-sólida ou líquida, rico em matéria orgânica e em nutrientes, com grande potencial poluidor, denominado lodo de esgoto. Segundo Jordão e Pessoa (2005), entre os resíduos do processo de tratamento de esgotos, o lodo adquire posição de destaque, merecendo especial atenção não só pelos grandes volumes gerados e por seu potencial de poluição, mas também pela complexidade de seu tratamento e pelos custos advindos de seu manejo adequado. Para efeito do presente trabalho, é importante definir os termos “lodos de esgoto” e “biossólidos”. Lodos são os efluentes sólidos das estações de tratamento de esgoto, não introduzidos nos ciclos de recuperação e reciclagem. Biossólidos são os sólidos, após adequação e tratamento, em qualquer forma, destinados para uso agrícola (Spinosa, 2007). No entanto, em decorrência do largo uso, em bibliografia, do termo “lodos de esgoto”, para designar tanto o lodo produzido nos processos de tratamento de águas residuárias, quanto o lodo tratado e condicionado para uso agrícola, nesta dissertação, não será feita esta diferenciação entre biossólidos e lodos de esgotos: ambos os termos serão utilizados como sinônimos. 3.1.1 Características e produção de lodos nos processos de tratamento de esgotos A quantidade e as características dos lodos produzidos, em estações de tratamento de esgotos, são definidas, dentre outros fatores, pela qualidade dos esgotos afluentes, pela 6 alternativa de tratamento adotada, assim como pela eficiência operacional do sistema, visto que esta pode resultar em produção menor de lodo. A seguir, são descritos, de maneira sucinta, os aspectos de maior interesse para o conhecimento da qualidade e produção de lodo oriundo do tratamento de esgotos. 3.1.1.1 Características dos esgotos afluentes As águas residuárias municipais ou esgotos têm sua origem nas atividades antrópicas, apresentando uma acentuada variação de suas características tanto quantitativas, quanto qualitativas. Esta variabilidade está relacionada, principalmente, à sua origem, à vazão de esgotos coletada, ao sistema de coleta (separador absoluto ou sistema unitário), à extensão e ao estado de conservação das redes coletoras. Quanto à origem, os esgotos podem ser classificados em: domésticos e industriais. Os esgotos domésticos são constituídos, essencialmente, de despejos domiciliares, provenientes das instalações sanitárias das edificações, como nos centros urbanos não há separação na coleta de esgotos hospitalares e provenientes de setores de serviços, esses também compõe o chamado esgoto doméstico. Outras parcelas constituintes dos esgotos são as águas de infiltração e uma parcela de águas pluviais. Os esgotos industriais apresentam características com acentuada diversidade, diretamente relacionada aos processos da cadeia produtiva, podendo conter teores de metais pesados e de outros compostos tóxicos bastante indesejáveis aos tratamentos biológicos. Um dos agravantes do lançamento indiscriminado de despejos industriais, no sistema coletor de esgotos sanitários, é a concentração, no lodo, de compostos que inviabilizam os processos de condicionamento e disposição propostos. As características físicas, químicas e biológicas dos esgotos sanitários são bastante variadas, entretanto, sua composição, em termos percentuais, apresenta as seguintes parcelas: 99,8% a 99,9% de água e 0,01 a 0,02% de sólidos, sendo que do total de sólidos, 70% são orgânicos e 30% inorgânicos (Figura 3.1) (Melo e Marques, 2000). Os sólidos podem ser classificados, segundo seu tamanho e estado, em sólidos em suspensão (SS) ou dissolvidos (SD); segundo suas propriedades químicas, em voláteis ou fixos e, segundo suas propriedades de sedimentação, em sedimentáveis e em não sedimentáveis. A fração sólida é formada por compostos orgânicos (proteínas, carboidratos, óleos e graxas etc), 7 nutrientes (nitrogênio e fósforo), metais, sólidos inertes, sólidos inorgânicos, compostos não biodegradáveis, organismos patogênicos e, em alguns casos, contaminantes tóxicos decorrentes de atividades industriais ou aportes acidentais às redes coletoras. Fonte: adaptado de Melo e Marques (2000) Quanto às características biológicas, nos esgotos sanitários são encontrados diversos organismos: bactérias, fungos, vírus, protozoários, entre outros. Estes são responsáveis por viabilizar os processos de decomposição e a estabilização da matéria orgânica. A componente biológica, entretanto, destaca-se não apenas por seus efeitos benéficos, mas também por representar a característica de interesse sanitário, considerando-se os riscos epidemiológicos pela presença de agentes patogênicos. 3.1.1.2 Tipos de tratamento e produção típica de lodo Os tratamentos baseados em processos biológicos têm se firmado como os de maior interesse para as águas residuárias de origem doméstica. Essa preferência reside nofato de que eles são tecnologias exaustivamente estudadas, cuja essência é a reprodução de fenômenos e processos observados na natureza, para que, em condições controladas, seus efeitos sejam maximizados, acelerando a decomposição dos resíduos, com resultados satisfatórios e a um menor custo. O tratamento biológico viabiliza a remoção das substâncias orgânicas biodegradáveis (coloidais ou dissolvidas) e, em alguns casos, de nutrientes (nitrogênio e fósforo), a partir ÁGUAS RESIDUÁRIAS ÁGUAS SÓLIDOS ORGÂNICOS INORGÂNICOS PROTEÍNAS CARBOIDRATOS LIPÍDIOS AREIA, SAIS METAIS 99,9% 0,1% 70% 30% Figura 3.1 – Composição do esgoto doméstico 8 de reações químicas promovidas por micro-organismos anaeróbios, aeróbios e facultativos que assimilam a matéria orgânica (Metcalf & Eddy, 1991). A produção de lodo apresenta elevada variabilidade de acordo com o tipo de tratamento empregado. Segundo Campos (2000), de maneira geral, a cada pessoa corresponde uma produção diária de lodo, para os processos aeróbios, da ordem de 20 a 35 g de sólidos secos e, para os processos anaeróbios, de 3 a 15 g de sólidos secos. Jordão e Pessoa (2005) comentam que, por meio de uma operação de “balanço de massa” de uma ETE, pode ser estimada a quantidade de sólidos retidos ou gerados no sistema. A Tabela 3.1 relaciona as características dos lodos gerados, bem como a produção per capita, por processo de tratamento. A gestão de lodo em uma ETE visa principalmente orientar as melhores práticas para o seu manejo, de maneira a se alcançar a redução dos volumes gerados e adequar as características do lodo para as etapas de processamento as quais será submetido, sempre vislumbrando a alternativa de disposição final a ser aplicada. Tabela3.1 - Produção teórica e características do lodo em função do tipo de Tratamento de Esgoto Utilizado na ETE. Origem do Lodo Produção de Lodo gSS/hab.dia Teor de Sólidos (%ST) Estabilidade Aspecto Desaguamento Decantador Primário 35 a 45 2 a 6 Necessita estabilização Marrom a marrom escuro, aparência floculenta, odor pouco ofensivo, tende a tornar-se séptico e gerar odores rapidamente Boa Aeração Prolongada 38 a 45 0,8 a 1,2 Estabilizado Negro, aparência floculenta, odor não ofensivo Regular UASB 7 a 18 3 a 6 Estabilizado Boa Filtro Anaeróbio (após UASB) 3 a 9 0,5 a 4 Estabilizado Boa Lagoas Anaeróbias 13 a 45 15 a 20 Estabilizado Boa Lagoas Facultativas 20 a 25 10 a 20 Estabilizado Boa Lagoas de Maturação 3 a 20 10 a 20 Estabilizado Boa Filtro Biológico de Alta Taxa – Lodo Secundário 2030 1 a 3 Necessita estabilização Lodo ativado convencional 60 a 40 0,2 a 0,4 Fonte: Adaptado de Além Sobrinho (2001) e von Sperling (2002) 9 Como tanto a quantidade quanto a qualidade do lodo produzido por uma ETE dependem não apenas da vazão e das características do esgoto, mas também do tipo de tratamento e da operação da ETE, é possível utilizar a produção do lodo como um referencial da eficiência de operação, à medida que o conhecimento da produção esperada de lodo para cada tipo de tratamento, pode indicar se os descartes de lodo do sistema estão abaixo ou acima do ideal. Além disso, o aspecto do lodo, apesar de não ser um parâmetro mensurável é um indicador do grau de estabilização do material. 3.1.1.3 Eficiência operacional em tratamentos biológicos O desempenho dos processos de tratamento biológicos apresenta uma relação de dependência direta com as práticas operacionais, empregadas nas estações de tratamento. Dentre as variáveis operacionais, a de maior relevância, sem dúvida, é a idade de lodo, visto que essa define a proporção de massa de lodo disponível para o metabolismo bacteriano, ou seja, a proporção do material biodegradável e a massa bacteriana presente no sistema de tratamento. Nos sistemas aeróbios, a idade do lodo influi não somente na produção de lodo, mas também, na sua composição: quanto maior a idade de lodo, maior seu grau de estabilização. Isto decorre do fato de que a população de bactérias, atuantes no processo metabólico de utilização da matéria orgânica, será maior, transformando a DBO afluente em massa bacteriana. Por outro lado, quanto menor a idade de lodo, maior será a fração volátil do lodo, resultando em diminuição da estabilidade, aumento do potencial de atrair vetores disseminadores de doenças e dificuldade em separar a água dos sólidos. No caso de reatores anaeróbios, Campos (1999) destaca que a determinação de uma frequência de descarte adequada resultará, diretamente, em menores concentrações de sólidos no efluente final, em consequência, em uma melhor qualidade em termos de SS, de DQO e DBO particuladas. Outro aspecto favorável da adoção de descartes de lodo otimizados é uma geração menor de lodo. Outras rotinas operacionais também influenciam a eficiência dos processos de tratamento, entre elas estão aquelas que envolvem as operações unitárias como o gradeamento e a desarenação. A remoção de sólidos grosseiros e de areia do sistema protege as unidades subsequentes, evitando perda de volume útil nos reatores e os prejuízos em função das remoções, impactando positivamente a qualidade do lodo gerado. 10 3.1.2 Aspectos relevantes na caracterização do lodo de esgotos As características do lodo afetam diretamente os processos de tratamento e disposição final, o conhecimento de suas características é fundamental para se definir as linhas mestras de manejo do lodo. 3.1.2.1 Tipos de lodos Os processos de tratamento de esgotos podem dar origem a diferentes tipos de lodo, variando conforme as tecnologias empregadas, as etapas intermediárias do processo, a alternativa de estabilização e o condicionamento do lodo. Como o tipo de lodo é função do sistema de tratamento da fase líquida, quanto mais complexo for o fluxograma de uma estação, maior será a variabilidade do lodo produzido. Dessa forma, em estações onde o esgoto bruto é recebido nos decantadores primários, são gerados o lodo primário, constituído de sólidos sedimentáveis, na etapa biológica é gerado o lodo secundário ou biológico, se os lodos primário e secundário forem enviados para o tratamento conjuntamente, tem-se o lodo misto e assim por diante. Na Tabela 3.2 apresenta-se uma classificação dos tipos de lodo relacionando-os com o processo que lhes deu origem e suas características. A compreensão das variedades de lodos existentes é de relevante interesse para a definição dos tratamentos mais adequados a cada tipo de lodo. Para cada tratamento, deve-se levar em consideração as características desejáveis para o lodo, os requisitos de qualidade exigidos, com vistas à alternativa de destinação elegida, e a redução de volume, objetivo perseguido em todas as etapas de manejo do lodo. 11 Tabela 3.2 – Classificação de lodos de ETEs Tipo de lodo Origem Características Lodo primário ou bruto Proveniente do tratamento primário do esgoto e obtido, normalmente, por sedimentação. Possui uma coloração acinzentada, é pegajoso, de odor desagradável e pode decompor-se facilmente. Lodo digerido Processos de estabilização de lodos. Apresenta redução de SSV superior a 40%, dependendo do processo empregado. Quando bem digerido não possui odor ofensivo. Lodo aeróbio não estabilizado Sistemas de lodos ativados e em reatores aeróbios com biofilmes – alta carga (von Sperling e Gonçalves, 2001). Compreende a biomassa de micro-organismos aeróbios, gerada nos processos metabólicos de degradação da matéria orgânica, descartada do sistema. Necessita de processo de digestão complementar. Lodo aeróbio estabilizado Lodos ativados com aeração prolongada e reatores aeróbios com biofilmes – baixa carga (von Sperling e Gonçalves, 2001) Constitui o lodo excedente, resultante de respiraçãoendógena prevalecente, com um menor teor de matéria orgânica e maior quantidade de sólidos inorgânicos, não havendo necessidade de uma etapa posterior de digestão. Lodo anaeróbio estabilizado Processos de degradação da matéria orgânica, em condições anaeróbias. Ocorrência em reatores anaeróbios e no fundo de lagoas de estabilização. Lodo com menor teor de matéria orgânica, quanto melhor a digestão, menor o potencial de geração de odor. Lodo misto Tratamento conjunto de lodos excedentes, de origem em tratamentos primário e secundário. Suas características são uma composição dos lodos que lhe deram origem. Lodo químico Produzido em estações de tratamento onde se tem uma etapa físico-químico de tratamento da fase líquida. Fonte: adaptado de von Sperling e Gonçalves (2001); Ferreira et al(1999). 3.1.2.2 Características gerais dos lodos de ETEs O lodo é constituído, em boa parte, por bactérias vivas (Fernandes, 2000). No lodo aeróbio, a fração de massa bacteriana é elevada (dependendo da idade do lodo, 50% a 90% da biomassa), enquanto no lodo anaeróbio esta fração está na faixa de 2 a 20% (Aisse et al., 1999). Na maior parte das etapas do seu manuseio, o lodo é constituído de mais de 95% de água, com uma concentração de sólidos, da ordem de 0,25 a 12% do lodo, em peso. Apenas por convenção, o lodo é designado por fase sólida, visando distingui-lo do fluxo do líquido que está sendo tratado (Metcalf & Eddy, 1991). 12 Durante o processo de digestão, o lodo perde cerca de 2/3 de matéria orgânica. Após a digestão, os sólidos presentes no lodo são constituídos por 45% de matéria orgânica e 55% de substâncias minerais. A composição típica do lodo bruto e digerido é mostrada na Tabela 3.3. Tabela 3.3 – Composição química e propriedades típicas do lodo bruto e digerido. Item Lodo bruto Lodo digerido Faixa Típico Faixa Típico pH 5,0 – 8,0 6,0 6,5 – 7,5 7,0 Alcalinidade (mg/L em CaCO3) 500 - 1500 600 2500 - 3000 3000 Ácidos orgânicos (mg/L em HAc) 200 – 2000 500 100 – 600 200 Sólidos totais (ST) 2 – 8 5 6 – 12 10 Sólidos voláteis (%ST) 60 – 80 65 30 – 60 40 Graxas e gorduras solúveis em éter (%ST) 6 – 30 - 5 – 20 18 Proteínas (%ST) 20 - 30 25 15 - 20 18 Nitrogênio (N, %ST) 1,5 – 4,0 2,5 1,6 – 6,0 3,0 Fósforo (P2O5, %ST 0,8 – 2,8 1,6 1,5 – 4,0 2,5 Potássio (K2O,%ST) 0,0 – 1,0 0,4 0,0 – 3,0 1,0 Celulose (%ST) 8 - 15 10 8 - 15 10 Ferro (exceto na forma de sulfeto) 2,0 – 4,0 2,5 3,0 – 8,0 4,0 Sílica (SiO2, %ST) 15 - 20 - 10 - 20 - Fonte: adaptado de Metcalf & Eddy (1991). Nos sistemas de tratamento de esgoto, o lodo produzido concentra os nutrientes, a matéria orgânica, os metais pesados, os organismos patogênicos e outros elementos que podem oferecer risco à saúde e ao meio ambiente, caso não sejam controlados e monitorados adequadamente. A matéria orgânica presente no lodo pode ser expressa em termos da concentração de sólidos em mg/L, teor de sólidos secos em percentagem, ou representada pela relação sólidos voláteis/sólidos totais, em % SV/ST. O teor de sólidos do lodo gerado nas estações de tratamento de esgotos domésticos costuma apresentar faixas típicas de variação de acordo com o próprio tipo de lodo (Tabela 3.1). Valores típicos para lodo gerado em estações de tratamento de esgotos domésticos estão na faixa de 75 a 85% SV/ST (Jordão e Pessoa, 2005). O teor de nutrientes (N, P e micronutrientes) e o conteúdo de matéria orgânica presentes no lodo têm importância maior nos casos de aplicação no solo ou uso para produção de fertilizantes. Normalmente, os teores de nutrientes presentes no lodo de esgoto são 13 superiores aos encontrados na maioria dos materiais orgânicos de uso habitual na agricultura (Pegorini e Andreoli, 1999). 3.1.2.3 Riscos microbiológicos O lodo de esgoto contém diversos micro-organismos. Estes podem ser saprófitos, comensais, simbiontes ou parasitas, sendo esta última categoria patogênicacapaz de causar doenças ao ser humano, por meio de contato direto ou por meio de vetores (ratos, pássaros, moscas) que tenham contato com o lodo. A sanidade do lodo está intrinsecamente relacionada com o perfil da saúde da população que gerou o esgoto, com o tipo de organismo biológico, nele contido, e com as condições ambientais às quais é submetido. Entre as condições que influenciam a concentração de patógenos presentes, no lodo, destacam-se o tipo de tratamento a que o esgoto e o lodo foram submetidos, também influenciam no resultado do grau de sanidade atribuído a um lodo, o método de estocagem, o tempo de permanência nos locais de estocagem, o clima ou estação do ano. Os agentes bacterianos mais freqüentes são: Salmonella spp., Shigella sp., Escherichia coli, Vibrio cholarae, Leptosira sp. Dentre os agentes virais podem ser citados: vírus da hepatite A, rotavírus, enterovírus, e reovírus. Quanto aos protozoários, são encontrados: Cryptosporidium, Entamoebahistlytica, Giárdia lambia, Balantidium coli e Toxoplasma gondii. Os helmintos mais frequentes são: Ascaris lumbricoides, Ascaris sum, Toxocara sp., Trichuristrichiura, Taeniasolium, Taeniasaginata, Necator americanus e Hymenolepis nanam, Hymenolepis diminuta (USEPA, (1992); Soccol et al., 2010) Na Tabela 3.4, são apresentados os resultados de determinação de patógenos em lodos produzidos em ETEs brasileiras. 14 Tabela 3.4 – Concentração de patógenos em lodo produzido em diversas ETEs do Brasil ETE Concentração de patógenos Coliformes fecais NMP/g Salmonellasp NMP/4g Ovos Helmintos viáveis/4g Cistos de protozoários NMP/g ETE Barueri1 5,4 Ausente 1,25 Ausente ETE Barueri2 475000 36,5 Ausente Ausente ETE Suzano1 <3,0 Ausente Presente em 25% das amostras Ausente ETE ABC1 1250 ND ND ND ETE Lavapés3 138 Ausente ND ND ETE Franca2 760000 3,1 1,4 0,2 ETE Belém 864000 Presente em 17% das amostras 17,2 0,1 Notas: (1) Condicionamento do lodo com cal e cloreto Férrico; (2) Condicionamento do lodo com polímero; (3) Condicionamento do biossólido com cal a 20% Fonte: Tsutiya (2001a) Em se tratando de organismos patogênicos, os helmintos despertam um grande interesse, isto porque o ambiente encontrado, nos processos de tratamento de esgotos, é propício ao embrionamento de seus ovos. No lodo, a sobrevivência, em temperaturas de 20º a 30ºC, pode ser de meses. Os ovos de helmintos têm se mostrado mais resistentes aos diferentes tipos de tratamentos de esgotos empregados, tais como a desinfecção com cloro, irradiação ultra-violeta (UV), ozônio, dentre outros. Alguns gêneros, como Ascaris, Toxocara e Tricuris, são extremamente resistentes à ampla variedade de condições físicas e químicas, sendo capazes de permanecer viáveis, em condições de sombra e umidade, por dois até sete anos, no solo (Bettiol e Camargo, 2006; Who, 2006; Corrêa et al., 2007; Soccol et al, 2010) Dentre as bactérias entéricas patogênicas encontradas no esgoto, a Salmonela spp e a Shigella spp representam o maior risco de infecção para humanos, já que são mais encontradas em esgotos domésticos (Andreoli et al., 2003). Paulino et al. (2001) estudaram a prevalência e a viabilidade de ovos e larvas de helmintos e cistos de protozoários presentes em biossólidos e em esgotos submetidos ao tratamento em reatores anaeróbios de leito fluidizado (RALF), na região metropolitana de Curitiba, Paraná. Os autores relataram que houve diferença significativa quanto ao número de ovos viáveis de helmintos presentes no material de quatro estações estudadas. A redução da viabilidade dos ovos de helmintos variou de 59,7 a 93%. Segundo as conclusões dos autores, novos tratamentos higienizantes são necessários para a utilização do lodo 15 produzido, por digestão anaeróbia, na agricultura ou para outros objetivos visando reduzir o risco para saúde humana e animal.Figura 3.2 - Principais ovos de helmintos encontrados em biossólido oriundo de tratamento por digestão anaeróbia. Fonte: Paulino et al. (2001) Nota: Os resultados apresentam as médias aritméticas dos dados obtidos em quatro reatores de leito fluidizado, estudados na região metropolitana de Curitiba, Paraná. Pires (2003) avaliou a presença de organismos patogênicos no solo e no líquido percolado que recebeu aplicação de lodo em diferentes dosagens. Neste experimento, além de helmintos e protozoários, foram feitas análises de coliformes totais e E. coli. Os resultados obtidos, para aplicação de lodo no solo, demonstraram que: os patógenos concentraram-se na camada superficial do solo (0-20cm); quanto maior a dose de lodo aplicada, maior a concentração destes organismos. No líquido percolado, não foram detectados patógenos. Segundo concluiu o autor, a dose de aplicação recomendada é a de 2,5 SST/ha a cada 40 dias, para garantir que não haja riscos de contaminação pela presença de patógenos. Souza et al. (2008) avaliaram a sobrevivência dos ovos de helmintos no solo após a incorporação do lodo em um Latossolo Vermelho distrófico argiloso do Cerrado. Inicialmente, foi determinada a concentração de ovos de helmintos viáveis presentes no lodo de esgotos produzidos na ETEB Sul (Brasília – DF). Posteriormente, o lodo foi incorporado ao solo e foram feitas amostragens. Durante o período de amostragem, não foi realizado plantio de culturas, sendo observada uma tendência de queda na concentração, desde o primeiro dia da incorporação do lodo até o décimo sexto dia, e, a partir desta data até o trigésimo dia, não foram recuperados ovos viáveis de helmintos nas amostras. Taenia sp 0,4% H. Nana 1% H. Diminuta 3% Toxocara 5,5% Trichuris sp 4,5% Ascaris sp 85% 16 Tendência semelhante, de decréscimo de viabilidade dos ovos de helmintos, foi verificada por Lemainski et al. (2007), em cultivo de milho e soja, depois da aplicação de 60 mg.ha-1, base úmida, de lodo de esgoto, em solo do Cerrado. A redução, em menor magnitude, do número de ovos de helmintos viáveis no solo, também foi constatada por Soccol et al. (2001) em experimento realizado na Fazenda Experimental do Cangüiri da UFPR, utilizando lodo digerido aeróbio incorporado ao solo, na mesma dose. O lodo digerido continha 7,87 ovos de helmintos viáveis por grama de sólidos totais. O número de ovos viáveis de helmintos nos tempos: inicial (12 horas depois da incorporação), 40 e 180 dias, depois da incorporação, foi de 0,89, 0,19 e 0,03 ovos por grama de sólidos totais, respectivamente. Uma análise dos resultados, entre os diferentes experimentos mencionados acima, conduz à reflexão sobre algumas causas prováveis para os níveis distintos de redução de sobrevivência dos patógenos, entre elas: as condições locais da aplicação no solo, relacionadas aos processos de dessecação e insolação, devido à influência do clima, e a competição com organismos do solo. Uma alternativa mais barata, capaz de propiciar a redução de patógenos no lodo, proposta por Popat et al. (2010), é a digestão anaeróbia termofílica. Para melhor estabelecer a relação tempo de retenção e temperatura, os autores inocularam ovos de Ascaris suum (inoculados 104.(4g.ST-¹) e PVS-¹ (polivírus) em amostras de lodo primário. A cinética da inativação desses patógenos foi avaliada nas temperaturas 51,1ºC, 53,31ºC, e 55,51ºC. As amostras foram coletadas no tempo 0; 0,5h; 1h; 1,5h; 2h; 4 ou 12h; 8 ou 16h, de acordo com o tempo de residência nos digestores. Os tempos de coletas foram determinados segundo estudos prévios que indicavam a rápida inativação dos patógenos nas temperaturas testadas. Para que houvesse redução ≥ 2log dos ovos, a temperatura de 55,5ºC foi a que alcançou a maior velocidade de inativação, obtendo essa redução em 2 horas. Mun et al. (2009) compararam a inativação de ovos de Ascaris lumbricoides no solo através da irradiação UV, ozônio e radiação micro-ondas. Em uma amostra de 25g de solo, com 14% de água, inocularam aproximadamente 7x10³ ovos. Expuseram a amostra a radiação de micro-ondas (700W, 2.450MHz), por períodos que variaram de zero a 70s. Verificaram que houve inativação de aproximadamente 2,5 log de ovos em 60 segundos. A amostra de solo, com igual concentração de ovos, quando submetida à irradiação UV de 17 253,7 nm (intensidade de 3mW cm²), com e sem agitação por 3.600 segundos, atingiu inativação de aproximadamente 0,32 e 0,01 log, respectivamente. O tratamento por ozônio obteve inativação de 0,13 log quando a amostra foi submetida, por 30 minutos, a uma dose 5,8 ±0,7 mgL-¹ de ozônio dissolvido. Os autores esclarecem que a irradiação UV e o ozônio não foram tão eficientes devido às partículas do solo que protegem os ovos, assim como ao envoltório de três camadas desses ovos. A irradiação micro-ondas foi mais eficiente, pois alcançou altas temperaturas em pouco tempo. Maya et al. (2010) avaliaram a eficiência de diferentes fatores combinados na inativação de helmintos presentes no lodo de esgoto. Para realizar o experimento, foram selecionados ovos de A. lumbricoides, A. suum, Toxocaracanis, Trichuristrichiura, H. nana e Taenia solium, por terem sido encontrados em lodo de diferentes países. Para avaliar os efeitos combinados de temperatura, umidade e tempo de exposição, 210 ovos desses helmintos (35 ovos de cada gênero) foram inoculados em amostras de lodo com umidade de 95, 90 e 80%, submetidas a temperaturas que variaram de 30 a 80ºC e tempo de exposição 30, 60, 120 e 180 minutos. Os autores observaram que nas condições de 70ºC, umidade de 80% e tempo de exposição de 120 minutos todos os ovos foram inativados. Nessas condições a temperatura decompõe a membrana vitelina que protege o ovo, deixando-o vulnerável. Para verificar a eficiência de cal associado à umidade foram adicionados 15% e 20% de cal em amostras de lodo com umidade de 90% e 80%. As amostras foram estocadas por 0,5h a 10 meses, em temperaturas entre 22-25ºC e umidade 60-90%. Com relação à adição de cal verificaram que adição de 20% de cal aumentou o pH a 12,5, contribuindo com a inativação dos ovos quando expostos por 4 meses em umidade de 80%. Verificou-se ainda que Ascaris sp foi o helminto mais resistente, já os helmintos T.canis e T. solium, T. trichiura e H. nana foram os mais sensíveis aos tratamentos empregados. No caso de oocistos de Cryptosporidium, em experimento realizado, verificou-se que estes são capazes de deslocamentos no solo, por várias semanas, sendo que em alguns casos permaneceram viáveis, no solo, por períodos maiores que 70 dias. A maioria dos oocistos é encontrada na camada superficial do solo – 2cm e há um decréscimo conforme aumenta a profundidade. Ainda a respeito de profundidade: até 30cm são recuperados alguns oocistos, mas nunca em profundidades superiores a 70cm (Pires, 2003) Com relação às bactérias presentes no lodo de esgotos, quando estes são dispostos no solo, elas têm o seu tempo de sobrevivência reduzido pela competição e predação dos 18 microrganismos do próprio solo, principalmente de protozoários de vida livre, considerados importantes predadores de coliformes. Tal afirmação foi comprovada por estudos de Andraus et al. (2001), nos quais bactérias entéricas aplicadas em solo estéril sob controle sobreviveram mais tempo do que aquelas semeadas em solo não estéril. De acordo com estudos do próprio autor acima citado, cistos de protozoários, no solo e nas plantas, são rapidamente mortos pelos fatores ambientais, portanto considera como mínima a ameaça à saúde pública e de animais, contrariando recomendações de outros autores com relação aos riscos potenciais da aplicação de lodo ao solo. Em resumo, os estudos demonstram grande variabilidade de resultados sobre a presença, ausência ou tempo de sobrevivência de diversos micro-organismos presentes no lodo
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